紅格地震臺(tái)PS200電法儀抗干擾能力測(cè)試

顏曉曄,李紹坤

(四川省地震局，四川 成都 610041)

1966年邢臺(tái)地震后，地震觀測(cè)臺(tái)站的地電阻率觀測(cè)至今已近40年，是較為成熟的地震前兆觀測(cè)手段之一。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城鄉(xiāng)、工礦民用設(shè)備大量增加，部分地震臺(tái)站地電觀測(cè)面臨較為嚴(yán)重的人類活動(dòng)干擾，觀測(cè)環(huán)境日漸惡劣，迫切需要有抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)精度更高的觀測(cè)設(shè)備，為震情判斷，特別是為強(qiáng)地震前震情判斷提供可靠的區(qū)域地球物理場(chǎng)的信息。目前國(guó)內(nèi)地電阻率觀測(cè)儀器大多使用中國(guó)地震局地殼研究所研制的ZD8M地電儀，ZD8M地電儀工作穩(wěn)定、性能可靠，儀器的基礎(chǔ)觀測(cè)資料的積累相對(duì)完整，可以將其作為評(píng)價(jià)其他觀測(cè)儀器抗干擾能力的依據(jù)。2016年，在四川省紅格地震臺(tái)、冕寧地震臺(tái)架設(shè)的PS200電法儀開始了日常觀測(cè)，為檢測(cè)PS200電法儀器的抗干擾能力，評(píng)價(jià)和驗(yàn)證其是否達(dá)到地震前兆臺(tái)站的觀測(cè)規(guī)范要求，我們?cè)诩t格地震臺(tái)開展了相關(guān)測(cè)試，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論。對(duì)兩個(gè)臺(tái)站2016年P(guān)S200電法儀觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，紅格地震臺(tái)由于改用井下電阻率觀測(cè)，供電、測(cè)量電極埋設(shè)深度較深，觀測(cè)極距較短，受到的外界人為干擾小，觀測(cè)數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定；而冕寧地震臺(tái)觀測(cè)場(chǎng)地環(huán)境復(fù)雜，測(cè)區(qū)內(nèi)民房、街道等建筑密集，觀測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)較差。因此選取紅格地震臺(tái)進(jìn)行臺(tái)站抗干擾能力測(cè)試比較好。

1 儀器測(cè)試原理、方法、內(nèi)容和結(jié)果

1.1 原理

在地震研究中地球電磁物理量的觀測(cè)主要分為電場(chǎng)的觀測(cè)、磁場(chǎng)的觀測(cè)、電磁輻射場(chǎng)的觀測(cè)和視電阻率的觀測(cè)。對(duì)于地球這樣的連續(xù)而又不均勻的介質(zhì)材料而言，直接測(cè)量電阻率的方法很不現(xiàn)實(shí)，間接測(cè)量電阻率的方法則應(yīng)運(yùn)而生，儀器所測(cè)到的具有電阻率量綱的物理量可稱為視電阻率。紅格地震臺(tái)現(xiàn)ZD8M地電儀和PS200電法儀觀測(cè)所采用的均是直流電法四極方法。簡(jiǎn)單來講，在介質(zhì)的表面或內(nèi)部埋設(shè)4個(gè)電極,其中兩個(gè)(A、B)分別與供電電源正、負(fù)極相連，電流通過它們流入介質(zhì)中；另外兩個(gè)(M、N)與測(cè)量電位差的儀器兩端相連，用儀器測(cè)定M、N兩電極間的電位差△V,將△V與I的比值乘以與四極裝置系統(tǒng)電極相對(duì)位置有關(guān)的常數(shù)K，即可求出一個(gè)具有電阻率量綱的物理量ρs。

(1)

公式(1)中，常數(shù)K具有長(zhǎng)度量綱，稱之為裝置系數(shù)，AM、AN、BM、BN為電極間距離，單位為米，具體K為：

(2)

冕寧地震臺(tái)PS200電法儀2016年觀測(cè)數(shù)據(jù)和紅格地震臺(tái)PS200電法儀2016年觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線參見圖1～2。

圖1 冕寧地震臺(tái)PS200電法儀2016年觀測(cè)數(shù)據(jù)

圖2 紅格地震臺(tái)PS200電法儀2016年觀測(cè)數(shù)據(jù)

在向大地提供穩(wěn)定直流電時(shí)，電流通過電極送入大地，當(dāng)供電電源電壓不變時(shí)，供電回路中的電流是個(gè)常數(shù)，這樣在供電回路中有一個(gè)穩(wěn)定的電流在流動(dòng)，存在一個(gè)穩(wěn)定電流場(chǎng)。如果大地介質(zhì)內(nèi)部所有可能積存的與供電過程有關(guān)的電荷，是由于電源通過電極向大地供電的結(jié)果,那么電極與大地接觸處的電荷簡(jiǎn)稱為“源”電荷。在大地中電流處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),源電荷的大小可以根據(jù)《電動(dòng)力學(xué)》的理論求出(錢家棟，1985):

(3)

公式(3)中I為電源提供的總電流強(qiáng)度,ρ為包圍電極的大地介質(zhì)的電阻率,Q為源電荷的大小。在實(shí)際的地電觀測(cè)中,因?yàn)闇y(cè)量電位的電極與供電電極的距離比電極本身的尺寸大得多，在電極與大地接觸面上所積存的面電荷在遠(yuǎn)處所產(chǎn)生的電場(chǎng),可以被看作與一個(gè)位于供電電極中心的點(diǎn)電荷場(chǎng)相當(dāng),因此供電電極又稱為點(diǎn)電源,其電荷又稱為點(diǎn)電源電荷,大小由公式(3)所決定(錢家棟，1985)。ZD8M地電儀和PS200電法儀就是使用直流電源DC通過供電極AB向地下輸入電流I，電流I通過測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)電阻R上的電壓V1來確定，在測(cè)量極MN上可測(cè)得人工供電電位差V2，視電阻率ρs的單位為Ω·m，V1、V2的單位為伏特，標(biāo)準(zhǔn)電阻的單位為歐姆，視電阻率ρs的計(jì)算公式為：

(4)

因測(cè)得人工供電電位差V2中還包含了儀器自身的漂移、大地極化效應(yīng)以及自然電位VSP，所以采用正反向進(jìn)行供電，求其平均值可以消除漂移。那么理論上觀測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)，次數(shù)越多，其觀測(cè)的數(shù)據(jù)精度就越高，受外界因素影響就越小。紅格臺(tái)ZD8M地電儀為每小時(shí)測(cè)量1次，每次5分鐘，產(chǎn)出1組觀測(cè)數(shù)據(jù)(2017年6月24日更改為每小時(shí)測(cè)量3次，每次5分鐘，產(chǎn)出3組觀測(cè)數(shù)據(jù))；PS200電法儀每小時(shí)觀測(cè)時(shí)間25分鐘，產(chǎn)出觀測(cè)數(shù)據(jù)3組。(參見圖3)

PS200電法儀采用了正反向供電的測(cè)量模式，為了消除人工電位差中存在的無規(guī)則的隨機(jī)人工干擾，采用了CDMA測(cè)量地電阻率原理。通過對(duì)供入地下的電流I進(jìn)行編碼調(diào)制，在測(cè)量端(接收端)同時(shí)對(duì)V2和V1(I)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)并解碼測(cè)量，由于輸入電流I與輸出V2和V1(I)具有相關(guān)性，而其它干擾與電流I不相關(guān)，因此最終測(cè)量到的V2和V1(I)就是由于輸入電流I引起的。CDMA測(cè)量之所以能提高測(cè)量的精確性，其原理就是通過可控源對(duì)供電電流I編碼和相關(guān)計(jì)算，在一段時(shí)間內(nèi)，精確地把V2和干擾區(qū)分出來，在輸出端有效抑制干擾，提高了測(cè)量時(shí)的信噪比(趙璧如，2006)(參見圖4)。

圖3 ZD8地電儀測(cè)量時(shí)序示意

圖4 PS200電法儀監(jiān)控軟件顯示測(cè)量供電時(shí)序

1.2 方法和設(shè)備

PS200電法儀臺(tái)站抗干擾能力測(cè)試的目的是測(cè)試儀器對(duì)不同頻率，不同幅度的干擾信號(hào)抑制能力。通過信號(hào)發(fā)生器，在PS200電法儀測(cè)量線路上加載正弦波、方波等干擾信號(hào)，干擾信號(hào)頻率采用100 Hz至200 s，幅度采用信噪比0 dB、-20 dB、-40 dB進(jìn)行。測(cè)試設(shè)備采用信號(hào)發(fā)生器和示波器，信號(hào)發(fā)生器用于干擾信號(hào)的輸出，示波器用于檢測(cè)輸出信號(hào)是否正確。測(cè)試設(shè)備采用安捷倫Agilent 33220A信號(hào)發(fā)生器和泰克Tektronix TDS1012示波器。安捷倫Agilent 33220A用于干擾信號(hào)的輸出，泰克Tektronix TDS1012示波器用于檢測(cè)輸出信號(hào)是否正確。

1.3 測(cè)試數(shù)據(jù)

ZD8M地電儀每小時(shí)產(chǎn)出1組數(shù)據(jù)，且保存的數(shù)據(jù)有效數(shù)字為4位；PS200電法儀每小時(shí)產(chǎn)出3組數(shù)據(jù)，保存的數(shù)據(jù)有效數(shù)字為5位。使得在對(duì)PS200電法儀進(jìn)行抗干擾能力測(cè)試的時(shí)候不能使用ZD8M地電儀數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。通過對(duì)ZD8M地電儀進(jìn)行程序更改，使得兩套設(shè)備測(cè)量產(chǎn)出的數(shù)據(jù)次數(shù)和數(shù)據(jù)的有效數(shù)字位數(shù)相同。更改后通過對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線，發(fā)現(xiàn)兩套設(shè)備的變化幅度基本一致(參見圖5)。這樣，在對(duì)PS200電法儀進(jìn)行抗干擾能力測(cè)試的時(shí)候，可以將ZD8M地電儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為參考標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。隨機(jī)抽取2017年7月1日和7月2日的ZD8M地電儀與PS200電法儀觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，其相關(guān)系數(shù)NS向?yàn)?.947 2，EW向?yàn)?.948。

1.4 測(cè)道的選擇

紅格地震臺(tái)測(cè)道為NS向和EW兩個(gè)方向。PS200電法儀測(cè)得的NS向視電阻率為22.83 Ω·m，供電電流為4.19 A，K值為789；EW向視電阻率為10.24 Ω·m，供電電流為2.35 A，K值為694。通過公式(1)計(jì)算得出NS向測(cè)量極的人工電位差為0.121 V，EW向測(cè)量極的人工電位差為0.035 V。需要測(cè)試的信噪比最大幅度為 -40 dB，那么輸出的干擾電壓信號(hào)和測(cè)量信號(hào)的倍數(shù)A就等于100。如果對(duì)NS向進(jìn)行抗干擾能力測(cè)試，需要輸出的最大干擾電壓信號(hào)為12.1 V，對(duì)EW向進(jìn)行抗干擾能力測(cè)試，需要輸出的最大干擾電壓信號(hào)為3.5 V。PS200電法儀的測(cè)量范圍為正負(fù)2.5 V，如果選取NS向進(jìn)行抗干擾能力測(cè)試，那么輸出的干擾信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于儀器測(cè)量范圍，所以只能選取EW向進(jìn)行抗干擾能力測(cè)試。

圖5 ZD8地電儀與PS200電法儀視電阻率數(shù)據(jù)對(duì)比曲線圖

1.5 測(cè)試過程

紅格地震臺(tái)PS200電法儀抗干擾能力測(cè)試共進(jìn)行了37次。測(cè)試輸出正弦波、方波干擾信號(hào)，干擾信號(hào)頻率分別采用100、50、1、0.2、0.1、0.02、0.01和0.005 Hz，輸出干擾電壓信號(hào)峰峰值分別為35、350和3500 mV。在每次測(cè)試前先預(yù)調(diào)試信號(hào)發(fā)生器，輸出需要的頻率、電壓和波形，再用示波器用于檢測(cè)輸出信號(hào)是否正確。從圖6和圖7中可以明顯看出，方波為PS200電法儀測(cè)量時(shí)供電信號(hào)，正弦波為信號(hào)發(fā)生器輸入的干擾信號(hào)，在圖8中方波為信號(hào)發(fā)生器輸入的干擾信號(hào)，疊加在方波上的信號(hào)為PS200電法儀測(cè)量時(shí)供電信號(hào)。

圖6 PS200電法儀顯示的正弦波干擾信號(hào)

圖7 PS200電法儀顯示的輸入正弦波干擾信號(hào)

圖8 PS200電法儀監(jiān)控軟件顯示的輸入方波干擾信號(hào)

2 測(cè)試后計(jì)算結(jié)果

通過公式(5)計(jì)算ZD8M地電儀和PS200電法儀未測(cè)試期間的數(shù)據(jù)平均偏差，得到PS200電法儀的參考標(biāo)準(zhǔn)視電阻率值P。

(5)

公式(5)中，P為PS200電法儀測(cè)試時(shí)間段的參考標(biāo)準(zhǔn)視電阻率值，Z為PS200電法儀測(cè)試時(shí)ZD8M地電儀觀測(cè)數(shù)據(jù)，X、Y為ZD8M地電儀和PS200電法儀未測(cè)試期間同一時(shí)間觀測(cè)的數(shù)據(jù)，計(jì)算得出平均偏差為0.191 Ω·m。通過計(jì)算的參考標(biāo)準(zhǔn)視電阻率值，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差和相對(duì)偏差的計(jì)算，相對(duì)偏差曲線參見圖9、圖10和圖11。

(0.1 Hz測(cè)試數(shù)據(jù)偏差21.814%為測(cè)試過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤所致)圖9 PS200電法儀信噪比0 dB數(shù)據(jù)相對(duì)偏差曲線

圖10 PS200電法儀信噪比-20 dB數(shù)據(jù)相對(duì)偏差曲線

圖11 PS200電法儀信噪比-40 dB數(shù)據(jù)相對(duì)偏差曲線

3 結(jié)論

通過對(duì)PS200電法儀的抗干擾能力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該儀器對(duì)相對(duì)干擾頻率較高、幅度較小的信號(hào)有較好的抑制能力，相對(duì)偏差能達(dá)到0.1%；但是隨著干擾頻率逐步降低，干擾信號(hào)幅度逐步加強(qiáng)，抑制能力相對(duì)較差，特別是在干擾信號(hào)達(dá)到-40 dB的時(shí)候，正弦波信號(hào)相對(duì)偏差最大達(dá)到208%，方波信號(hào)相對(duì)偏差最大達(dá)到383%。在對(duì)紅格臺(tái)PS200電法儀進(jìn)行抗干擾能力測(cè)試時(shí)，參考標(biāo)準(zhǔn)視電阻率值是通過ZD8M地電儀計(jì)算得出的，所以在對(duì)地電阻率儀器進(jìn)行臺(tái)站抗干擾能力測(cè)試的時(shí)候，還需要考慮到以下因素：(1)選取干擾小的臺(tái)站。場(chǎng)地環(huán)境干擾對(duì)地電阻率觀測(cè)的影響不容忽視，會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)精度降低、甚至使數(shù)據(jù)失去使用價(jià)值。在測(cè)試過程中，需選擇認(rèn)為干擾較小、數(shù)據(jù)記錄平穩(wěn)的觀測(cè)臺(tái)站進(jìn)行對(duì)比分析。(2)選擇合適觀測(cè)儀器測(cè)道的測(cè)試信號(hào)。針對(duì)進(jìn)行的抗干擾能力測(cè)試需要輸出的最大信號(hào)不能超過儀器測(cè)量范圍，在計(jì)算輸出干擾信號(hào)幅度的時(shí)候就需要考慮到儀器的測(cè)量信號(hào)范圍，最好選取人工電位差較小的測(cè)道，這樣就可以給出較大的干擾信號(hào)幅度。

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